Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Kombination von Mikrofluidik und Microrheology während wiederholter Phasenübergänge rheologische Eigenschaften der weichen Materie ermitteln

Published: April 19, 2018 doi: 10.3791/57429
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Lehigh University, 2Process and Engineering Development, Procter & Gamble Co.

Summary

Wir zeigen die Herstellung und Verwendung eines mikrofluidischen Gerät, das mehrere Teilchen tracking Microrheology Messungen zur Untersuchung der rheologischen Auswirkungen wiederholter Phasenübergänge auf weiche Materie ermöglicht.

Abstract

Die Mikrostruktur der weichen Materie direkt wirkt sich makroskopische rheologische Eigenschaften und kann durch Faktoren wie kolloidale Umlagerung während der vorherigen Phasenänderungen geändert werden und Scherung angewendet. Um das Ausmaß dieser Veränderungen zu ermitteln, haben wir eine mikrofluidischen Gerät entwickelt, dass ermöglicht wiederholt Phasenübergänge induziert durch Austausch von der umgebenden Flüssigkeit und Microrheological Charakterisierung Scherkräfte auf die Probe zu begrenzen. Diese Technik ist µ2Rheologie, die Kombination von Mikrofluidik und Microrheology. Das mikrofluidischen Gerät ist ein zwei-Schicht-Design mit symmetrischen Eingang Streams in eine Probenkammer, die Gel-Probe im Ort während der Flüssigkeitsaustausch fallen. Absaugung kann weit entfernt von der Probenkammer, Flüssigkeiten in die Probenkammer ziehen angewendet werden. Rheologische Eigenschaften sind mit mehreren Teilchen tracking Microrheology (MPT) charakterisiert. MPT fluoreszierende Sonde Partikel in das Material eingebettet sind und die Brownsche Bewegung der Sonden ist mit Videomikroskopie aufgezeichnet. Die Bewegung der Teilchen wird verfolgt und die Mean-squared Verschiebung (MSD) berechnet. MSD bezieht sich auf makroskopische rheologischen Eigenschaften, indem Sie die verallgemeinert Stokes-Einstein-Beziehung. Die Phase des Materials ist im Vergleich zu der kritischen Entspannung Exponent identifiziert, anhand von Zeit-Heilung-Überlagerung. Messungen von faserigen kolloidalen Gel illustrieren das Dienstprogramm der Technik. Dieses Gel hat eine feine Struktur, die irreversibel geändert werden kann, wenn Scherung angewendet wird. µ2Rheologie Daten zeigt, dass das Material immer wieder an den gleichen rheologischen Eigenschaften nach jedem Phasenübergang gestalten, darauf hinweist, dass Phasenübergänge mikrostrukturellen Veränderungen keine Rolle spielen. Um die Rolle der Scherung zu bestimmen, können Proben vor der Injektion in unserem mikrofluidischen Gerät geschert. µ2Rheologie ist ein breit anwendbare Verfahren zur Charakterisierung von weicher Materie ermöglicht die Bestimmung der rheologischen Eigenschaften von feinen Mikrostrukturen in einer einzigen Probe bei Phasenübergängen in Reaktion auf wiederholte Änderungen in der umliegenden Umweltbedingungen.

Introduction

Phasenübergänge in weicher Materie können die Gerüst-Struktur ändern, die Auswirkungen in der Verarbeitung und endgültige Stabilität der Werkstoff-1,2,3hat. Die Charakterisierung von weichen Materialien während der dynamischen Phasenübergänge bietet wichtige Informationen über die Beziehung zwischen strukturellen Entwicklung und Gleichgewicht Struktur und rheologischen Eigenschaften. Beispielsweise erfordern viele häusliche Pflege-Produkte einen Phasenwechsel bei Verwendung durch Verbraucher. Auch während der Herstellung, können Bearbeitungsschritte, einschließlich Verdünnung und mischen, vermitteln Scherung die rheologischen Eigenschaften und endgültige Mikrostruktur des Produktes beeinflussen. Verständnis der rheologischen Eigenschaften in einem Phasenwechsel wird sichergestellt, dass das Produkt funktioniert wie vorgesehen. Darüber hinaus ändert Kräfte die Ausgangspunkt Rheologie des Materials bei der Herstellung, können Phasenübergänge unerwartete und unerwünschte, ändern die beabsichtigte Funktion und Wirksamkeit Ergebnissen. Zeitpunkt der kritischen Gelierung, definiert als der Punkt, wo das Material von einer Lösung der damit verbundenen Kolloide oder Polymere mit einem Probe-spanning Gel Netzwerk, Übergänge, Materialeigenschaften drastisch ändern mit geringfügigen Änderungen Verband. Änderungen an der Struktur der kritischen gelierpunkt kann das Endprodukt4auswirken. Während diese dynamische Übergänge können weiche Materialien haben schwache mechanische Eigenschaften und Messungen, die klassischen experimentellen Techniken verwenden, innerhalb der Messung Lärm Limit5,6,7. Zu dieser, Techniken wie Microrheology, entfallen die sensibel im Bereich von niedrigen Moduli (10-3 - 4 Pa), werden verwendet, um das schwach beginnende Gel während dynamische Entwicklung zu charakterisieren. Einige Materialien sind anfällig für Veränderungen in der Mikrostruktur durch externe Kräfte, die während der Charakterisierung, eine Herausforderung darstellt, da die Übertragung von Material oder Flüssigkeit die Struktur und letztlich die endgültige Materialeigenschaften beeinflussen kann. Um zu vermeiden, die Material Mikrostruktur verändern, haben wir eine mikrofluidischen Gerät entwickelt, das die Umwelt Flüssigkeit um eine Probe austauschen kann, bei gleichzeitiger Minimierung der Scherung. Durch den Austausch von den sich ständig verändernden Umfeld, sind Veränderungen in der rheologischen Eigenschaften und Mikrostruktur während Phasenübergänge mit minimalen Beiträgen von Scherkräften gemessen. Das Gerät ist mit mehreren Teilchen tracking Microrheology (MPT) in eine Technik namens µ2Rheologie kombiniert. Diese Technik wird verwendet, um die Materialeigenschaften bei aufeinander folgenden Phasenänderungen eines Gels als Reaktion auf eine externe Antriebskraft zu quantifizieren. Die Technik wird mit einem faserigen kolloidalen Gel, hydriertes Rizinusöl (HCO)9,10,11veranschaulicht werden.

Gel-Gerüste können Veränderungen in der Assoziation und Dissoziation aufgrund ihrer Probe Umwelt12,13,14,15unterziehen. Die treibende Kraft für die Gelierung und Abbau sind bestimmte Material und muss für jedes Material von Interesse zugeschnitten werden. µ2Rheologie kann verwendet werden, um Gel-Systeme zu charakterisieren, die auf äußere Reize, einschließlich kolloidale und Polymere Netzwerke reagieren. Salzkonzentration, pH-Wert oder osmotischen Druck zu verändern, sind Beispiele für Antriebskräfte, die Änderungen in der materiellen Mikrostruktur auslösen können. Zum Beispiel erfährt HCO kontrollierten Phasenübergänge durch die Schaffung eines osmotischen Druckgradienten. Wenn eine konzentrierte HCO Gel Probe (4 Gew.-% HCO) in Wasser untergetaucht ist, schwächen die Anziehungskräfte zwischen den kolloidalen Teilchen, Abbau verursacht. Alternativ, wenn eine verdünnte Lösung des HCO (0,125 Gew.-% HCO) ist mit einem hydrophilen Material (als das Geliermittel bezeichnet und besteht aus meist Glycerin und Tensid) kontaktiert, die attraktive Kräfte zurück, wodurch Gelierung. Dieses Gel-System wird verwendet, den Betrieb des Geräts als Instrument zur Messung der aufeinander folgenden Phasenübergängen auf eine einzelne Probe9,10zu zeigen. Um diese Gel-Gerüste während dynamische Übergänge und die zarten beginnende Gelstruktur am kritischen Phasenübergang zu charakterisieren, verwenden wir MPT, um diese Materialien mit hoher räumlich-zeitliche Auflösung zu charakterisieren.

Microrheology wird verwendet, um Gel Eigenschaften und Struktur, vor allem in den kritischen Übergang aus einem Array von weichen Materialien, einschließlich kolloidale und Polymere Gele5,6,9,16zu bestimmen. MPT ist eine passive Microrheological-Technik, die Videomikroskopie Datensatz verwendet die Brownsche Bewegung von fluoreszierenden Sonde Partikel innerhalb einer Probe eingebettet. Die Partikelpositionen in den Videos sind genau bis auf 1/10th eines Pixels mit klassischen tracking-Algorithmen17,18bestimmt. Das Ensemble im Durchschnitt Mean-squared Verschiebung (MSD, (ΔR2(t))) errechnet sich aus diesen Teilchen Flugbahnen. Der MSD bezieht sich auf Materialeigenschaften, wie z. B. die Einhaltung kriechen mit der verallgemeinerten Stokes-Einstein-Beziehung17,19,20,21,22, 23. Der Zustand des Materials wird bestimmt durch die Berechnung der logarithmischen Steigung der Kurve MSD als Funktion der Verzögerungszeit, α,

Equation 1

wobei t die Verzögerungszeit und vergleicht sie mit der kritischen Entspannung Exponent, nist. n wird mit der Zeit-Heilung Überlagerung, eine gut dokumentierte Technik, die geändert wurde, um MPT Datenanalyse von Larsen und Furst6ermittelt. Im Vergleich wird der Zustand des Materials von n zu α quantitativ bestimmt. Wenn α > n das Material ist ein Sol, und wenn α < n das Material ist ein Gel. Bisherigen Arbeit hat das HCO-System mit Microrheology um zu bestimmen, die kritische Entspannung Exponent9gekennzeichnet. Mithilfe dieser Informationen ermitteln wir genau, wann das Material von einem Gel in eine Sol während eines Experiments übergeht. Darüber hinaus kann der nicht-Gauß-Parameter αNG, berechnet werden, um das Ausmaß der strukturellen Heterogenität eines Systems festzustellen,

Equation 2

ΔX(t) ist der eindimensionale Teilchenbewegung in X -Richtung. Mit MPT, können wir einen einzigen Phasenübergang charakterisieren, aber durch die Charakterisierung von Materialien mit MPT in einem mikrofluidischen Gerät, sind wir in der Lage, flüssige Umgebung zu manipulieren und sammeln Daten von mehreren Phasenübergänge an einer einzigen Gel-Probe.

Dieses mikrofluidischen Gerät soll die kritische Übergänge von einer einzigen Gel Probe zu untersuchen, die Phasenänderungen als Reaktion auf Änderungen in der flüssigen Umgebung erfährt. Das Gerät tauscht Flüssigkeit umgeben die Probe, wenn es entweder in der Gel- oder Sol Staat ist durch Sperren der Probe im Ort, um einen Phasenübergang bei gleichzeitiger Minimierung der Scherung zu induzieren. Ein Lösungsmittel Becken befindet sich direkt oberhalb der Probenkammer, die durch sechs symmetrisch angeordneten zulaufkanäle verbunden sind. Diese Symmetrie ermöglicht den Austausch von Flüssigkeit aus dem Lösungsmittel Becken die Probenkammer beim Erstellen gleich Druck um die Probe im Ort sperren. Wurden mehrere Studien, die diese Technik für Einzelkorn und DNA-Überfüllung verwenden, aber diese Arbeit skaliert die Lautstärke von einzelnen Molekülen zu Beispielen, die ca. 10 µL24,25,26sind. Dieses einzigartige Design ermöglicht auch in Echtzeit Microrheological Charakterisierung während dieser Phasenübergänge.

µ2Rheologie ist eine robuste Technik, die auf viele weiche Materie Systeme anwendbar ist. In diesem Artikel beschriebene Verfahren wurde für kolloidale Gele entwickelt, aber es kann leicht an andere Materialien wie Kunststoff oder Mizellen Lösungen angepasst werden. Mit dieser Technik, wir bestimmen nicht nur, wie Phasenübergänge Materialeigenschaften Gleichgewicht beeinflussen, aber auch wie verschiedene Bearbeitungsschritte können nachhaltige Effekte auf die rheologischen Evolution des Materials und die endgültige Gerüst Struktur und Eigenschaften.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Herstellung von mikrofluidischen Gerät

  1. Mikrofluidische Stempel Herstellung.
    Hinweis: Dieser Schritt erfordert die Verwendung von flüchtigen Stoffen und sollte in einem chemischen Abzug erfolgen.
    1. Verwenden Sie negative Design-Aufdruck mit denselben Abmessungen wie die Objektträger (75 × 50 mm), die Kanäle weiß eingefärbt, und Hintergrund farbig schwarz (siehe Abbildung 1). Drucken Sie dieses Design auf einem klaren Acetat Blatt (Transparenz) mit einer Auflösung von 1200 dpi.
    2. Wenn der dunkle Bereich der Transparenz noch Licht durch erlaubt, mehrere negative Schicht und halten mit doppelseitigem Klebeband.
    3. Die hohe Intensität ultravioletten (UV) Lichtquelle schalten Sie ein und lassen Sie ihn Warmlaufen zu einer konstanten Leistung (ca. 30 min).
      Hinweis: UV-Schutzbrille sollte getragen werden, wenn die hochintensive UV-Lichtquelle zu verwenden.
    4. Füllen Sie drei 150 mL-Petrischalen mit Aceton, Ethanol und destilliertem Wasser.
    5. Legen Sie eine leere Transparenz auf einer ebenen Fläche in der Nähe von Hochleistungs-UV-Quelle, aber nicht direkt unter dem UV-Licht. Dieses versieht einen Ausgangspunkt, um die mikrofluidischen Stempel fabrizieren.
    6. Skizzieren Sie die Ecken einer 75 × 50 mm Glas Folie in der Mitte der leere Transparenz mit einem permanent Marker und Platz vier glasabstandshalter (ca. 30 × 30 × 1 mm) in den Ecken des skizzierten Rechtecks.
    7. Gießen Sie etwa 5 mL UV heilbar Thiol: ene Harz in der Mitte der Abstandhalter, dann legen Sie vorsichtig eine 75 x 50 x 1 mm-Objektträger auf die glasabstandshalter, so dass der Kleber durch die gläsernen Objektträger mit keine Luftblasen vollständig bedeckt ist.
    8. Legen Sie die Transparenz mit gedruckten negativ auf den Objektträger und verschieben Sie die oben genannten Komponenten (von unten nach oben: leer, Transparenz, glasabstandshalter und UV-Kleber, Objektträger und negative gedruckten Transparenz) durch Ziehen der leere Transparenz sorgfältig unter der UV-Lichtquelle.
    9. Das UV-Licht durchscheinen negativ auf den Harz und Heilung zu ermöglichen. Die Aushärtungszeit kann angepasst werden, um die Höhe des Kanals ändern. Eine 45 s Heilung Zeit führt eine Kanalhöhe von 1 mm, mit unserer Lichtquelle.
    10. Verschieben Sie die Komponenten von der UV-Quelle und entfernen Sie die negative gedruckten Transparenz und Objektträger. Der Objektträger mit den Kanälen in UV-Klebstoff hergestellt wird jetzt als mikrofluidischen Stempel bezeichnet werden.
    11. Entsorgen Sie die Transparenz und Glas Abstandhalter.
    12. Tauchen Sie den mikrofluidischen Stempel im Aceton Bad, gefolgt von der Ethanol-Bad. Wiederholen Sie diesen Schritt zweimal. Aceton wird abgebaut, die UV-Kleber, also nicht verlassen, Aceton auf den Stempel für mehr als 10 s.
    13. Halten Sie den Stempel, Tauchen Sie den Stempel in das Wasser und verwenden Sie einem Wattestäbchen, um den Rest der nicht umgesetztes Harz zu entfernen. Nicht direkt Abwischen der ausgehärteten Portionen, wie es die Kanäle rau zu machen.
    14. Legen Sie den Stempel auf einem Papiertuch und zurück auf die UV-Quelle für mindestens 30 Minuten zur vollständigen Aushärtung zu gewährleisten.
  2. Polydimethylsiloxan (PDMS) Gießen
    1. 70 g PDMS-Basis in eine klare Tasse Gießen und fügen Sie die Vernetzungsmittel an der Basis in einem Gewichtsverhältnis von 01:10 Vernetzer zu stützen. Dies sind die Hersteller empfohlen Verhältnisse. Verwenden Sie keinen Glasbehälter.
    2. Mischen der Vernetzer und gründlich mit einem Metall Rührer Basis; die Mischung sollte trübe durch Eingeschlossene Luftblasen, einmal richtig gemischt werden.
    3. Die gemischte PDMS der PDMS in einem Vakuum Vakuum Ofen und ziehen aufsetzen. Schalten Sie Vakuum, wenn die Lösung beginnt zu Überlauf aus dem Kelch, dann Vakuum fortgesetzt, nachdem der Überlauf nachlässt. Der Gesamtdruck in den Vakuumofen spielt keine Rolle, wie das Vakuum nur die Entgasung beschleunigt. Lassen Sie in der Kammer, bis alle Luftblasen aus der Mischung (ca. 60 min) evakuiert wurden.
    4. Ort der mikrofluidischen Stempel in einem leeren 150 mm Durchmesser Kunststoff Petrischale, dann Gießen Sie langsam die PDMS in der Petrischale mikrofluidischen Stempel vollständig bedeckt. Gießen Sie nah an der Oberfläche der Petrischale, Luftblasen in der PDMS Reform zu minimieren.
    5. Decken Sie der Petrischale ab und in einem 55 ° C Ofen über Nacht zu heilen. Einmal vollständig geheilt, die gemusterten PDMS mit einem Messer geschnitten und aus den Stempel entfernen. Behalten Sie überschüssige PDMS für den Bau der Lösungsmittel-Becken (Protokoll Schritt 1.6.3) und PDMS Stopper (Protokoll Schritt 2.2.1.1).
    6. Mit einem 0,5 mm-Biopsie-Punch, schneiden Sie Löcher in den folgenden Orten: an jeder Ecke, in die Ansaugkammer nahe dem Rand des Kanals, sechs in die Probenkammer symmetrisch angeordnet 60° auseinander, und eines in der Mitte die Probenkammer. Dafür Drucken symmetrisch platzierten Löcher eine Muster auf ein Blatt Papier und unter den Probenraum statt. Da die PDMS klar ist, können Sie leicht erkennen, wo die Löcher platziert werden müssen.
  3. Vorbereitung der Sol-Gel-Lösung Glaswände in mikrofluidischen Gerät erstellen
    1. Fügen Sie in einem 100 mL-Glas, 25 mL 90 % Ethanol, 25 mL pH 4 (0,0001 M) Salzsäure, 25 mL von 98 % Tetraethoxysilan und 25 mL 98 % Methyltriethoxysilane. Legen Sie die 100 mL Lösung, jetzt genannt die preconverted Flüssigkeit, in der Mikrowelle für 10 Sekunden, dann legen Sie in eine 80 ° C über Nacht unbedeckt.
  4. Gerätemontage
    1. Legen Sie beide die gemusterten PDMS und eine 75 × 50 × 0,10 mm Glas Folie in das Plasma Reiniger und legen Sie die 3-Wege-Ventil auf aus stellen.
    2. Schalten Sie die Vakuumpumpe und erlauben Sie eine Minute um die Kammer zu evakuieren.
    3. Setzen Sie das 3-Wege-Ventil, um flow Controller Position und lassen die equilibrate für 5 Sekunden Kammer. Die Flow Controller Lage erlaubt einen kleinen Volumenstrom der Luft, das Plasma Reiniger, niedrig genug zu betreten, um die Kammer bei niedrigem Druck zu halten. Aktivieren Sie die Radiofrequenz (RF), Medium für 40 Sekunden, dann schalten Sie den RF-Schalter und Vakuumpumpe.
    4. Legen Sie die 3-Wege-Ventil in die Öffnungsstellung atmosphärischen Bedingungen der Kammer wieder. Entfernen Sie die gemusterte PDMS und Glas gleiten.
    5. Befolgen Sie sorgfältig die gemusterten PDMS auf dem Objektträger indem man die beiden Flächen miteinander in Kontakt.
    6. Die Nähte um die gemusterten PDMS und Heilung für 5 min unter geringer Intensität UV-Licht UV heilbar Harz zuweisen.
  5. Herstellung von Glaswänden in mikrofluidischen Kanälen.
    Hinweis: Dieser Schritt muss innerhalb von 30 Minuten nach der Plasmabehandlung, ausgeführt werden, da es stützt sich auf PDMS Oberflächenveränderungen, die während der Plasmabehandlung auftreten. Die Dicke der Schicht werden ca. 5 bis 10 µm. Dieser Schritt erfordert die Verwendung von flüchtigen Stoffen und sollte in einem chemischen Abzug erfolgen.
    1. Legen Sie eine Herdplatte auf 100 ° C und bereiten Sie vier Spritzen (drei 30 mL und 3 mL) mit 18-Gauge Nadeln und etwa 30 cm Länge deutlich thermoplastische Rohre vor.
    2. Füllen Sie drei 30 mL Spritzen mit Ethanol, Chloroform und Luft, beziehungsweise. Füllen Sie eine 3 mL Spritze mit preconverted Flüssigkeit (aus Protokoll Schritt 1.3.1.)
    3. Legen Sie klare thermoplastischen Schlauch mit Edelstahl-Steckverbinder in jedes der Löcher in der gemusterten PDMS, mit Ausnahme von einer Ecke Loch. Dieses Loch wird als einen Einlass verwendet werden, während alle anderen Filialen werden.
    4. Füllen Sie das mikrofluidischen Gerät mit preconverted Flüssigkeit aus der Spritze, dann stellen Sie das Gerät von mikrofluidischen auf 100 ° C heißen Platte, so dass das untere Glas die Oberfläche der Heizplatte berührt.
    5. Fließen Sie 3 mL preconverted Flüssigkeit durch das mikrofluidischen Gerät über 10 Sekunden. Die Dicke der Wände aus Glas ist durch Veränderung des Durchfluss der preconverted Flüssigkeit eingestellt.
    6. Entnehmen Sie von der Herdplatte mikrofluidischen. Ersetzen Sie die preconverted Lösung-Spritze mit dem luftbläser und jede überschüssige preconverted Flüssigkeit herausdrücken.
    7. Die luftbläser mit Chloroform Spritze ersetzen und langsam 15 mL Chloroform durch mikrofluidischen Gerät fließen. Ersetzen Sie die Chloroform-Spritze mit der Ethanol-Spritze und fließen Sie langsam 30 mL Ethanol durch die mikrofluidischen Gerät. Diese Schritte sollten ca. 1 min. dauern.
    8. Ersetzen Sie die Ethanol-Spritze mit Luft-Spritze und Fluss-Luft durch das mikrofluidischen Gerät bis trocken.
  6. Anwendung der Glasauflagen und Lösungsmittel-Becken
    1. 75 × 10 × 1 mm kürzen Glas Glasstreifen aus 75 × 25 × 1 mm Folien.
    2. Die Glasleisten UV heilbar Harz zuweisen. Stellen Sie das Gerät von mikrofluidischen auf die Streifen mit der PDMS-Seite nach oben. Verschieben Sie unter geringer Intensität UV-Lichtquelle für 5 Minuten.
    3. Schneiden Sie eine 30 × 30 mm Quadrat des PDMS. Schneiden Sie mit einem Biopsie-Punch ein Loch groß genug, um die 10 mm Probenkammer zu decken.
    4. PDMS Quadrat und mikrofluidischen Gerät in das Plasma Reiniger, dann setzen Sie das 3-Wege-Ventil auf aus stellen und schalten Sie die Vakuumpumpe.
    5. Lassen Sie eine Minute, um die Kammer zu evakuieren. Stellen Sie das 3-Wege-Ventil auf Flow Controller Position und lassen Sie die Kammer für 5 Sekunden equilibrate.
    6. Schalten Sie RF ein Medium für 40 Sekunden, dann schalten Sie RF Switch und Vakuumpumpe.
    7. Legen Sie die 3-Wege-Ventil in die Öffnungsstellung atmosphärischen Bedingungen der Kammer wieder.
    8. Das Lösungsmittel Becken und mikrofluidischen Gerät aus der Plasmakammer entfernen und durch die Kontaktflächen zu halten. Achten Sie darauf, um das Lösungsmittel Becken über die Probenkammer zu platzieren.

(2) µ2Rheologie Verfahren

  1. Vorbereitung der weichen Materie Proben
    1. Waschen-Sonde Partikel
      1. Pipette Wasser und 0,5 µm-Sonden zu einem Microcentrifuge Schlauch in einem Verhältnis von Wasser zu Sonden von 10:1. Mischen Sie gründlich mit Pipette mischen, dann legen Sie Microcentrifuge Schlauch in die Microcentrifuge und Spin bei 4600 X g für 10 Minuten.
        Hinweis: In dieser Arbeit verwendeten Sonde-Lösung in Wasser mit einer Ausgangskonzentration von 2,6 % Feststoffe/Volumen schweben empfangen wird und die Endkonzentration von Sonden, die im Beispiel verwendeten ist 0,1 % Feststoffe/Volumen.
      2. Die Microcentrifuge Schlauch und Pipette, überstand abnehmen. Den Überstand mit VE-Wasser zu ersetzen. Wiederholen Sie Zentrifugation für insgesamt drei Mal.
      3. Microcentrifuge Schlauch in den sonikator und beschallen auf Low für 15 Minuten, um Aggregate zu entfernen.
    2. Kombination von Sonden und weicher Materie.
      Hinweis: Für dieses Verfahren war eine kolloidale Gel wie die weiche Materie-Probe verwendet.
      1. Auf einer 75 × 50 mm Glas Folie 1 mL der Probe zu messen. Pipette 40 µL Sonde Lösung in der Mitte der Probe.
      2. Falten Sie sanft die Probe mit einem Metallspatel bis komplett kombiniert. Schöpfen Sie die Probe in einem Microcentrifuge Schlauch und Zentrifuge bei 2340 X g für 15 s um eingeschlossene Luft zu entfernen.
      3. Füllen Sie eine 1 mL Spritze mit 18 Gauge-Nadel und klare thermoplastische Schläuche mit der Sonde/HCO-Mischung ausgestattet.
  2. Aufeinander folgenden Phasenübergängen induziert durch Flüssigkeitsaustausch
    1. Füllung der Mikrofluidik-Gerät
      1. Um PDMS Stopper zu erstellen, schneiden Sie mit überschüssigen PDMS aus Protokoll Schritt 1.2.5, 5 mm quadratischem Querschnitt des PDMS. Mit einem 0,5 mm Durchmesser Biopsie-Punch, schneiden Sie ein Loch in der PDMS-Stopper auf halbem Weg. Die 0,5 mm Durchmesser-Loch stecken Sie einen Edelstahl-Anschluss.
      2. Verbinden Sie thermoplastische Rohre mit drei von der Ecke zulaufkanäle und dem Auslasskanal Schöpfraum. Komplett füllen Sie das Gerät mit Wasser mit einer Spritze, die mit dem Gerät verbunden. Sicherzustellen, gibt es keine Luftblasen in die Probenkammer oder in den Kanälen mikrofluidischen. Die andere Ecke Öffnung mit PDMS Stopper zu blockieren.
      3. Das Lösungsmittel Becken ist teilweise aus Schritt 2.2.1.2 auszufüllen; Wenn sie nicht gefüllt ist, füllen Sie das Lösungsmittel Becken mit Wasser.
      4. Mit der Spritze aus Protokoll Schritt 2.1.2.3, injizieren Sie 10 µL der Probe/Sonde Mischung durch den Center-Kanal in die Probenkammer mit ca. 2 µL/s, dann verwenden Sie einen PDMS-Stopper, um des Center-Kanals in die Probenkammer zu blockieren.
    2. Microrheological Datenerfassung
      1. Schalten Sie die Kamera-Einstellungen mit denen optimiert, um statische und dynamische Partikel, die Verfolgung von Fehlern zu minimieren und wechseln Sie zu den 63 × Wasser eintauchen Objektiv und pipette einen Tropfen Wasser auf die Linse.
      2. Mikroskoptisch setzen Sie mikrofluidischen Gerät auf und heben Sie das Ziel, bis es auf die Probe fokussiert ist.
      3. Zeitintervalle für die Gesamtlänge von einem Phasenwechsel übernehmen Sie Videos der Brownschen Bewegung der Sonden. Für die Gelierung Einnahme Videos bis Sonde Bewegung Stillstand gekommen ist.
        Hinweis: Wir erheben Daten alle 10 Minuten. Wenn wir mit einem Abbau Experiment beginnen, werden Daten erfasst, bis die Sonden komplett verbreitet sind.
    3. Den Austausch von Flüssigkeiten in die Probenkammer (Schwerkraft, Austausch von niedriger Dichte Flüssigkeiten mit höherer Dichte Flüssigkeiten)
      1. Mikroskoptisch entfernen Sie mikrofluidischen Gerät.
      2. Absaugen des Wassers aus dem Lösungsmittel Becken mit einer transferpipette, dann pipette 4 mL höhere Dichte Flüssigkeit in das Lösungsmittel Becken.
      3. Mikroskoptisch mikrofluidischen Gerät wieder und wiederholen Sie die Schritt 2.2.2.3
    4. Den Austausch von Flüssigkeiten in die Probenkammer (Saugstrom, höhere Dichte Flüssigkeitsaustausch mit niedriger Dichte Flüssigkeiten)
      1. Mikrofluidische Gerät aus den Mikroskoptisch und entfernen Sie den PDMS-Stopper aus den saugraum.
      2. Legen Sie eine Spritze mit einem 18-Gauge-Nadel und klare thermoplastische Schläuche auf den Schöpfraum Kanal ausgestattet, und Haken Sie die Spritze bis zu eine Spritzenpumpe. Die Spritzenpumpe bei 1 mL/min eingestellt.
      3. Entfernen Sie überschüssige Geliermittel in das Lösungsmittel Becken und spülen Sie drei Mal mit Wasser, füllen das Lösungsmittel Becken und dann absaugen, die Flüssigkeit spülen.
      4. BEGIN Absaugung mit der Spritzenpumpe unter Zugabe von Wasser in das Lösungsmittel Becken für eine Minute. Bitte lassen Sie nicht das Lösungsmittel Becken leer komplett, ziehen diese Luft in die Probenkammer.
      5. Ziehen Sie die Spritze aus dem mikrofluidischen Gerät und ersetzen Sie PDMS Stopper Schöpfraum zu.
      6. Mikroskoptisch mikrofluidischen Gerät wieder und nehmen Sie Proben
  3. Fortsetzen Sie Entnahme von Proben in regelmäßigen Abständen während der Abbau/Gelierung Zyklen, bis die gewünschte Anzahl von Zyklen abgeschlossen oder es nicht genügend Sonden zur Messung gibt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Eine zweischichtige mikrofluidischen Gerät baut mit PDMS (Abbildung 1a, b), die auf einer Briefmarke von mikrofluidischen gemustert ist. Das Design des Stempels ist in Abbildung 1cdargestellt. Unsachgemäße Versuchsaufbau kann dazu führen, dass beide Fehler in passive Microrheology und mikrofluidischen fließt während rund um Flüssigkeitsaustausch (Abbildung 2). Beispiele für unzulässige Versuchsaufbau sind detailliert im Abschnitt Diskussion. Beim Betrieb des Gerätes wird die umgebende Flüssigkeit um eine Gel-Probe ausgetauscht. Dieser Flüssigkeitsaustausch tritt auf, wenn das Material in das Gel und die Sol-Phase befindet. Diese mikrofluidischen Gerätedesign hat die Fähigkeit, Flüssigkeit ohne erheblichen Verlust des Geliermittels Material und eingebettete Sonde Partikel auszutauschen. Zwei Arten von Flüssigkeit Austausch dienen, Schwerkraft fließen (wenn man vom unteren zu höheren Dichte Flüssigkeit) oder Saug-Flow (wenn man vom höheren zum niedrigeren Dichte Flüssigkeit). In unserem HCO-Gel-System dient Saugstrom Abbau zu induzieren, während Schwerkraft verwendet wird, um die Gelierung zu induzieren. Beide Strömungen vermitteln minimale Scherkräfte auf die Probe mit Scherkräften in der Größenordnung von 0,01 Pa und 1 Pa für Saug- und Schwerkraft fließen, beziehungsweise. Diese Scheren sind unter die Streckgrenze des Gels, die in der Größenordnung von 10 Pa9,10ist.

Staat, Struktur und rheologische Eigenschaften von Gel-Probe sind quantitativ mit mehreren Teilchen tracking Microrheology (MPT) charakterisiert. In MPT getrackt Sonde Partikel mit klassischen tracking-Algorithmen27,28. Die Ensemble im Durchschnitt Mean-squared Verschiebung (MSD) errechnet sich aus Teilchen Trajektorien (Abbildung 3) während der nachfolgenden Phasenübergänge. Microrheology Daten (Abbildung 3) zeigen, dass aufeinander folgende Phasenübergänge im HCO Gel System erreicht werden. Die MSD-Kurven abwechselnd α → 0 (Gel) und α → 1 (Sol). Die Größe der MSD Kurven ist über die messbaren MSD Untergrenze von diesem Versuchsaufbau (0,001 µm2). Dieses Limit richtet sich experimentell nach anhaftenden Sonden in eine Probenkammer Glas die erfolgt dadurch, dass Partikel unter Schwerkraft über Nacht zu begleichen. Das Ensemble gemittelten MSD der verhafteten Sonde Teilchen gemessen wird, um zu erhalten die untere Grenze der MSD, das ist abhängig von den spezifischen experimentellen Apparat.

Die logarithmische Steigung der MSD-Kurve (α) und den nicht-Gauß-Parameter (αNG) werden berechnet und der Zustand des Materials ist quantitativ im Vergleich dazu entschlossen, die kritische Entspannung Exponent (n) (Abbildung 4). Für dieses Experiment, HCO als Modell Gel mit, insgesamt neun Übergänge gemessen. Das Material beginnt ein Gel (α → 0) sowie fünf Verschlechterungen (α → 1) und vier Gelations (α → 0) sind mehr als 1.500 Minuten gemessen. Das Timing der einzelnen Phasenübergang ist materialabhängig. Phasenänderungen werden durch den Austausch von Flüssigkeit induziert. Wenn es kein Flüssigkeitsaustausch, dargestellt durch die längere Zeit in der Sol-Phase zwischen 800-1400 min, Sonde Partikel verbleiben im Rahmen der Stichprobe und gibt es keine Änderungen an den rheologischen Eigenschaften. Sobald ein Flüssigkeitsaustausch stattfindet, Gele das Material wieder.

Die Daten erhalten wir von diesem Gerät liefert Informationen über die rheologischen Eigenschaften und die Struktur des Materials in mehrfacher Hinsicht. Wir messen keine Veränderungen im Gleichgewicht der rheologischen Eigenschaften von wiederholten Phasenänderungen. Dies zeigt sich durch α in jeder Phase auf den gleichen Wert zurück. Wenn das Material in der Sol-Phase ist, erreicht es α = 0,90, und wann in der Gel-Phase α = 0,20. Der Wert α in der Sol-Phase bedeutet, dass das Material auch nach Abbau etwas Struktur behält. Eine kolloidale System, das vollständig, in eine Lösung von kolloidalen Teilchen abgebaut hat haben α = 1,0, während den Gleichgewichtswert in der Sol-Phase für HCO α ist = 0,90, zeigt einige Struktur wird beibehalten. Darüber hinaus kann kolloidale Neuordnung unmittelbar nach Flüssigkeitsaustausch, auftreten, gekennzeichnet durch einen Anstieg der α. Schließlich zeigt der nicht-Gauß-Parameter αNG, die Heterogenität des Materials quantifiziert, dass das Gel eine Zunahme der strukturellen Heterogenität während Abbau (Gel, Sol) Übergang erfährt. Dies wird deutlich durch die Spitze in αNG.

Figure 1
Abbildung 1: mikrofluidischen Gerät. (a) Bild von der zweischichtigen mikrofluidischen Gerät, das eine Probe an Stelle fallen, während die umgebende Flüssigkeit ausgetauscht wird. Die erste Schicht hat zwei Kammern, eine für die Probe und eine für die Absaugung. Löcher befinden sich in jeder Ecke, sowie eine in den saugraum und sieben in der Probenkammer. Über die Probenkammer wird eine zweite Schicht aus PDMS auf das Gerät zu handeln als ein Lösungsmittel Becken geklebt. (b) die Probe wird in die Probenkammer durch den mittleren Kanal injiziert. Die Probe wird während der flüssige Übertragung von symmetrischen Eingang strömen in die Probenkammer Schaffung gleicher Druck um die Probe fixiert. (c) das Design, die zur Erstellung den mikrofluidischen Stempel für die 1St Schicht des Geräts. Die einzelnen Kammern haben einen Durchmesser von 10 mm, während die Kanäle sind mit eine Breite von 1 mm. Die daraus resultierende Höhe für die Kanäle und Kammern ist 1 mm nach 45 s der UV-Exposition. Übernommen aus: Wehrman Et Al. 201710 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2 : Bild eines Gerätes nicht ordnungsgemäß ausgefüllte mikrofluidischen. Luftblasen in das Gerät injiziert können negative Auswirkungen auf die Microrheological Daten (durch gerichtete Bewegung der Partikel an der Gas-Flüssigkeits-Schnittstelle) und mikrofluidischen fließt während Lösung Austausch haben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Mean-squared Weg-Kurven ein hydriertes Rizinusöl gel beim Abbau (a, c) und Gelbildung (b, d). 2Nd (a, b) und 3rd (C, d) Phasenübergänge werden aus 9 insgesamt Übergänge angezeigt. Der kritischen Übergangspunkt (Gel - Sol oder Sol - Gel) ist gekennzeichnet durch eine gestrichelte Linie bei n = α = 0,77 und stellt jedem Phasenwechsel mit MSD Kurven oberhalb der Linie sind ein Sol und unterhalb eines Gels. Übernommen aus: Wehrman Et Al. 201710 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: logarithmischen Steigung (, geschlossene) und nicht-Gauß Parameter (αNG, offenen) für ein einzelnes Sample von 4 Gew.-% hydriertes Rizinusöl Gel während wiederholter Phasenübergänge. Der kritischen Übergang ist gekennzeichnet durch eine horizontale gestrichelte Linie (n = 0,77) und wurde aus früheren Microrheological Experimente9,10ermittelt. Vertikale Linien zeigen lösungsmittelaustausch, mit weißem Hintergrund, die darauf hinweist, dass es Wasser im Lösungsmittel Becken und schattigen Grauzonen gibt Geliermittel in der solvent-Becken. Eine Änderung in der Farbe zwischen weiß und grau zeigt eine Umkehrung des osmotischen Gradienten. Ändert sich die Farbe nicht auf eine vertikale Linie, bedeutet dies, dass die Probenkammer erneut mit dem gleichen Lösungsmittel gespült wird. Dies tritt auf, wenn nicht genügend Flüssigkeit entfernt und oft geschieht, wenn die höhere Dichte Flüssigkeit in die Probenkammer aufgrund seiner großen Viskosität ist. Übernommen aus: Wehrman Et Al. 201710 mit freundlicher Genehmigung von The Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Das zweilagige mikrofluidischen Gerät (Abbildung 1) kann leicht durch folgende gut dokumentierten mikrofluidischen Herstellung Techniken29gemacht werden. Glasträger ergänzen die Unterseite des Geräts, Schwingungs Auswirkungen auf die Bewegung der Sonde zu verringern. Die Glas-Folie ist sehr dünn (0,10 mm) um den Arbeitsabstand von das Mikroskopobjektiv gerecht zu werden. Dies macht das Gerät anfällig für kleine Schwingungen im Gebäude und Probe-Umfeld, die dann mit der Hochgeschwindigkeitskamera gemessen werden. Die Glasauflager negieren erfolgreich diese äußere Reize. Das kurze arbeiten Abstand Ziel wird gewählt, um präzise MPT Daten sammeln, die erfordert: (1) mindestens 4 Pixel pro Partikel und (2) einer begrenzten Arbeitsabstand zu vermeiden, imaging-Partikel, die nicht in der 2D-Ebene.

Das Design dieses Geräts, Abbildung 1a-c, basiert auf früheren Untersuchungen, die Microrheology mit Mikrofluidik zu kombinieren. Schultz und Furst µ2Rheologie entwickelt, mit der gleichen mikrofluidischen Herstellung Technik verwendet für unsere Arbeit. Ihr Gerät wurde entwickelt, um 50-100 Proben von Hydrogel Materialien, getrennt durch eine kontinuierliche Phase mit Farbverläufen in beiden der Polymer Rückgrat und Vernetzer Konzentration16,29erstellen. Darüber hinaus wurden Techniken mit konvergierenden mikrofluidischen Streams gezeigt, für das Abfangen von einzelnen Partikeln oder Makromoleküle25,26nützlich. Wir haben die Fertigung Technik von Schultz und Furst und ihre Vorstellung von Microrheological Messungen in einem mikrofluidischen Gerät in unserem neuen Gerät kombiniert und skaliert-Up mikrofluidischen Trapping Entwürfe. In unserem Design schaffen wir 1 mm Square-Kanäle, die gerundet werden, wenn eine Schicht aus Glas auf der Innenseite der mit Sol-Gel Chemie30Kanäle erfolgt. Die Kanal-Dimensionen werden ausgewählt, um Interaktionen zwischen der Sonde Partikel und die Wände der mikrofluidischen Gerät31zu vermeiden. Für unsere Sonde Größe (0,5 µm) und Höhe (1 mm) die hydrodynamische aus dem Glas auf Kanal ist die Sonde in der Größenordnung von F ≈ 10-18 N, darauf hinweist, dass diese Kraft von der Glaswand wird keinen spürbaren Einfluss auf die Bewegung der Sonde Partikel 31. Darüber hinaus würde Sonde Partikel innerhalb von 10 µm der Wand, um Einfluss auf die Bewegung der Teilchen durch die Wechselwirkung der Teilchen mit der Wand zu haben. Alle Daten werden mehr als 10 µm von der Wand. Glas ist in mikrofluidischen Kanälen gegen Lösungsmittel Aufnahme von PDMS während unserer experimentellen Zeitskala, die Größenordnung von Stunden ist hergestellt. Durch Herstellung Technik, die für 10 µL Stichprobengrößen (entsprechend einer Kanalhöhe von 1 mm) ermöglicht und mikrofluidischen Bäche zusammenlaufen, können wir die Fangmethode von einzelnen Molekülen zu 10 µL vertikal skalieren.

Das 2-Layer-Design ist eingebaut, um die Strömung Instabilitäten zu verhindern, die in einer einzigen Schicht Gerät auftreten. Während der frühen Iterationen dieser Arbeit war die gesamte Vorrichtung eine Schicht. Zwei Bäche geben (jeweils mit der gleichen Flüssigkeit entweder Wasser oder gelling Agent) aus zwei Ecken des Gerätes begann und nur durch die lange Kanäle, die die gesamte Länge des Gerätes, tangential an die Probenkammer floss. Jede Strömung Instabilität zwischen den Kanälen führte jedoch durch die Probenkammer und einen Verlust der Probe, das Experiment zu beenden. Die zweite Schicht, zusammen mit der Zugabe von den großen Schöpfraum entfernt diese Instabilitäten durch nur eine Saug-Quelle und die Schaffung gleicher Druck um die Probe, Überfüllung der Probenmaterials während der Experimente. Die zweite Schicht hat ein sehr einfaches Design und die neuen umgebende Flüssigkeit über die Probenkammer halten soll.

µ2Rheologie erfolgreich Daten werden unter Verwendung des oben genannten Protokolls. Die erste Phase des Aufbaus, füllen das Gerät ist entscheidend für ein gelungenes Experiment. Unsachgemäße Befüllung kann dazu führen, dass Luftblasen in den Kanälen oder in die Probenkammer, die negative auf die Microrheology und die Funktion des Gerätes mikrofluidischen (Abbildung 2 Auswirkungen). Der einfachste Weg zur Vermeidung von Luftblasen in der Mikrofluidik-Gerät ist komplett füllen Sie die Spritze (dafür sorgen, dass es keine Luftblasen gibt) vor der Befüllung des Gerätes. Alternativ Luftblasen entfernt werden, durch die entweder Einführung eine große Durchflussmenge des Lösungsmittels (durch drücken den Kolben der Spritze härter) oder durch Tippen auf das Gerät vorsichtig bis die Bläschen auf einen Ausgang Kanal verschieben. Luftblasen in die Probenkammer können dazu führen, dass gerichtete Bewegung der Sonden an der Grenzfläche Luft-Flüssigkeit. MPT Messungen erfordern Sonden rein Brownsche Bewegung zur Messung von Materialeigenschaften zu unterziehen. Luftblasen in die mikrofluidische Kanäle beeinflussen auch Strömung während Flüssigkeitsaustausch, die dann verursachen Veränderungen in Druck und die Gel-Probe aus der Kammer zu bewegen. Diese beiden Probleme können vermieden werden, indem sichergestellt wird, dass das Gerät und die Lösungsmittel Kammer vollständig mit Flüssigkeit vor probeninjektion gefüllt sind. Die Probe Einlaufhöhe vermitteln einige Scherkräfte auf die Probe, aber es nicht negativ auf die rheologischen Eigenschaften und die Struktur des Materials auswirkt. Dies wurde durch Masse rheologischen Messungen der geladen, ohne Schere und Proben auf dem Rheometer mit den gleichen Eingang Techniken wie das mikrofluidischen Gerät geladen verifiziert. Nachdem das Gerät ordnungsgemäß ausgefüllt ist, sorgt für die oben genannten Verfahren Gliederung einwandfreie Funktion während der Experimente.

Während Flüssigkeitsaustausch gibt es minimale Materialverluste. Dies zeigt sich während der Experimente durch: (1) die Fähigkeit des kolloidalen Materials, genug Fasern bilden ein Gel-Netzwerk und (2) die Konzentration der Sonde Partikel bleiben hoch genug, um statistisch signifikante MPT Messungen sammeln weiterhin haben. Darüber hinaus kann eine einzelne Probe bis zu neun Phasenübergänge, weitere Angabe minimaler Verlust während Flüssigkeitsaustausch. Die Gesamtzahl der beobachtbaren Übergänge hängt die Höhe der Sonden durch Diffusion aus der Probe verloren, wenn es in der Sol-Phase ist. Sonden sind diffusiven, wenn das Material ein Sol ist, und eine kleine Menge davon wird aus der Probe nach jeder Gel-Sol-Übergang zu verbreiten. Die Höhe der Sonden werden die Übergänge möglich, dass das Gerät beschränken.

Wir haben gezeigt, dass dieses Gerät verwendet werden kann, Messen Materialeigenschaften und Mikrostruktur der weichen Materie während der wiederholten Phasenübergänge zu bestimmen. Die Symmetrie der Eintritt in die Probenkammer Einlass Ports fallen eine Probe vorhanden, so dass wiederholte Phasenübergänge auf einer einzigen Probe ohne Verlust der Probe. Die Gerätekonstruktion kann leicht an unterschiedliche Systeme, einschließlich Polymeren Hydrogelen, die aufgrund von Veränderungen im pH-Wert oder biologische Struktur verändern und Tensid Materialien, die auf Veränderungen der Salzkonzentration, damit reproduzierbare Ergebnisse reagieren angepasst werden bestimmen Sie die rheologischen Eigenschaften und Struktur eines Gel-Systems bei aufeinander folgenden Phasenänderungen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Es gibt keine Angaben für diese Arbeit.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von der Procter & Gamble Co. und American Chemical Society Petroleum Research Fund (54462-DNI7) finanziert. Bestätigung erfolgt an die Spender der amerikanischen chemischen Gesellschaft Petroleum Research Fund für partielle Unterstützung dieser Forschung. Die Autoren möchten Dr. Marco Caggioni für hilfreiche Diskussionen zu bestätigen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
150 x 15 mm Petri Dish Corning, Inc. 351058
75 x 50 x 0.15 mm glass slide Fisher Scientific Custom
75 x 50 x 1.0 mm glass slide Fisher Scientific 12-550-C
75 x 25 x 1.0 mm glass Slide Fisher Scientific 12-550-A3
22 x 22 Glass cover slips Fisher Scientific 12-542-B
Acetone, 99.5% VWR Analytical 67-64-1
Low intensity UV source UVP UVL-56
Chloroform, 99.9% Fisher Chemical C298-500
Cotton Swabs Q-tips 83289205
Ethanol, 90% Fisher Chemical A962-4
Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 0.50µm Polysciences, Inc.  15700-10
High-Intensity UV Lamp Spectroline Corp. SB-100P
Hot plate Corning, Inc. PC-420
Hydrochloric Acid, 6N Ricca Chemical Company 3750-32
Methyltriethyoxysilane, 98% Acros Organics 174622500
Microcentrifuge Eppendorf 5424
Plasma cleaner Harrick Plasma, Inc. PDC-32G
Polydimethylsiloxane (PDMS) Robert McKwown Company 2065622
Sonicator Branson, Emerson Electric 1800
Steel connectors, ID 0.023 inch New England Small Tube Corp. Custom
Tetraethoxysilane, 98% Alfa Aesar A14965
Thiol-ene Resin (UV curable) Norland Products, Inc.  NOA81
Transparency Staples Inc.  21828
Tygon tubing, ID 1/32 inch McMaster-Carr E-3603
Vacuum oven Fisher Scientific 282A
Biopsy punch 8 mm World Precision Instruments 504535
Bioposy punch 0.5 mm World Precision Instruments 504528
Syringe, 30 mL BD 309659
Syringe, 3 mL BD 309651
Needle, 18 gauge BD 305195
Microcentrifuge tube, 1.5 mL Eppendorf 22-36-320-4
High-speed Camera Vision Research Miro M120 
Microscope Carl Zeiss AG Zeiss Observer, Z1
Syringe pump New Era Pump Systems NE-300
Hydrogenated castor oil Procter & Gamble N/A
Afício MP 6002 Printer Ricoh Company, Ltd. 415877

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mitchell, P. Microfluidics-downsizing large-scale biology. Nat. Biotech. 19, 717-721 (2001).
  2. Haber, C. Microfluidics in commercial applications; an industry perspective. Lab Chip. 6, 1118-1121 (2006).
  3. Whitesides, G. M. The origins and the future of microfluidics. Nature. 442, 368-373 (2006).
  4. Huang, X., Raghavan, S. R., Terech, P., Weiss, R. G. Distinct kinetic pathways generate organogel networks with contrasting fractality and thixotropic properties. J. Am. Chem. Soc. 128, 15341-15352 (2006).
  5. Larsen, T. H., Schultz, K. M., Furst, E. M. Hydrogel microrheology near the liquid-solid transition. Korea-Aust. Rheol. J. 20, 165-173 (2008).
  6. Larsen, T. H., Furst, E. M. Microrheology of the liquid-solid transition during gelation. Phys. Rev. Lett. 100, 146001 (2008).
  7. Schultz, K. M., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid rheological screening to identify conditions of biomaterial hydrogelation. Soft Matter. 5, 740-742 (2009).
  8. Switzer, L. H., Klingenberg, D. J. Flocculation in simulations of sheared fiber suspensions. Int. J. Multiph. Flow. 30, 67-87 (2004).
  9. Wehrman, M. D., Lindberg, S., Schultz, K. M. Quantifying the dynamic transition of hydrogenated castor oil gels measured via multiple particle tracking microrheology. Soft Matter. 12, 6463-6472 (2016).
  10. Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Using µ2rheology to quantify rheological properties during repeated reversible phase transitions of soft matter. Lab Chip. 17, 2085-2094 (2017).
  11. Wehrman, M. D., Lindberg, S. E., Schultz, K. M. Impact of shear on the structure and rheological properties of a hydrogenated castor oil colloidal gel during dynamic phase transitions. J. Rheol. , (2018).
  12. Loh, X. J. Dual-responsive "reversible micelles". J. Appl. Polym. Sci. 127, 992-1000 (2013).
  13. Kern, F., Zana, R., Candau, S. J. Rheological properties of semidilute and concentrated aqueous solutions of cetyltrimethylammonium chloride in the presence of sodium salicylate and sodium chloride. Langmuir. 7, 1344-1351 (1991).
  14. Trappe, V., Prasad, V., Cipelletti, L., Segre, P. N., Weitz, D. A. Jamming phase diagram for attractive particles. Nature. 411, 772-775 (2001).
  15. Philipse, A. P., Wierenga, A. M. On the density and structure formation in gels and clusters of colloidal rods and fibers. Langmuir. 14, 49-54 (1998).
  16. Schultz, K. M., Bayles, A. V., Baldwin, A. D., Kiick, K. L., Furst, E. M. Rapid, high resolution screening of biomaterial hydrogelators by mu2rheology. Biomacromolecules. 12, 4178-4182 (2011).
  17. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179, 298-310 (1996).
  18. Crocker, J. C., Weeks, E. R. Particle tracking using IDL. , Available from: http://www.physics.emory.edu/faculty/weeks//idl/tracking.html (2011).
  19. Mason, T. G. Estimating the viscoelastic moduli of complex fluids using the generalized Stokes--Einstein equation. Rheol. Actac. 39, 371-378 (2000).
  20. Mason, T. G., Ganesan, K., van Zanten, J. H., Wirtz, D., Kuo, S. C. Particle tracking microrheology of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 79, 3282-3285 (1997).
  21. Mason, T. G., Weitz, D. A. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74, 1250-1253 (1995).
  22. Squires, T. M., Mason, T. G. Fluid mechanics of microrheology. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 413-438 (2010).
  23. Gittes, F., Schnurr, B., Olmsted, P. D., MacKintosh, F. C., Schmidt, C. F. Microscopic viscoelasticity: shear moduli of soft materials determined from thermal fluctuations. Phys. Rev. Lett. 79, 3286-3289 (1997).
  24. Mai, D. J., Brockman, C., Schroeder, C. M. Microfluidic systems for single DNA dynamics. Soft Matter. 8 (41), 10560-10572 (2012).
  25. Tanyeri, M., Ranka, M., Sittipolkul, N., Schroeder, C. M. A microfluidic-based hydrodynamic trap: design and implementation. Lab Chip. 11, 1786-1794 (2011).
  26. Lee, J. S., Dylla-Spears, R., Teclemariam, N. P., Muller, S. J. Microfluidic four-roll mill for all flow types. Appl. Phys. Lett. 90, 074103 (2007).
  27. Crocker, J. C., Grier, D. G. Methods of digital video microscopy for colloidal studies. J. Colloid Interface Sci. 179 (1), 298-310 (1996).
  28. Mason, T. G., Weitz, D. Optical measurements of frequency-dependent linear viscoelastic moduli of complex fluids. Phys. Rev. Lett. 74 (7), 1250 (1995).
  29. Schultz, K. M., Furst, E. M. High-throughput rheology in a microfluidic device. Lab on a chip. 11, 3802-3809 (2011).
  30. Abate, A. R., Lee, D., Do, T., Holtze, C., Weitz, D. A. Glass coating for PDMS microfluidic channels by sol-gel methods. Lab Chip. 8, 516-518 (2008).
  31. Happel, J., Brenner, H. Low Reynolds Number Hydrodynamics: with special applications to particulate media. , Prentice-Hall. (1965).

Tags

Technik Ausgabe 134 Kolloide Gel Mikrofluidik Microrheology Rheologie weiche Materie
Kombination von Mikrofluidik und Microrheology während wiederholter Phasenübergänge rheologische Eigenschaften der weichen Materie ermitteln
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wehrman, M. D., Milstrey, M. J.,… More

Wehrman, M. D., Milstrey, M. J., Lindberg, S., Schultz, K. M. Combining Microfluidics and Microrheology to Determine Rheological Properties of Soft Matter during Repeated Phase Transitions. J. Vis. Exp. (134), e57429, doi:10.3791/57429 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter